Okno to jedna wielka dziura w betonowym pancerzu
Współczesne budynki są coraz mniej “betonowe”, a coraz bardziej elektroniczne. Systemy bezpieczeństwa, wentylacja, kontrola dostępu, sieci, serwerownie, automatyka, czujniki, łączność to wszystko infrastruktura, której zwykle nie widać, ale bez której biuro przestaje być biurem, a szpital przestaje być szpitalem. Właśnie dlatego rośnie znaczenie zagrożeń, które też są niewidzialne – nie niszczą elewacji, tylko uderzają w to, co dzieje się pod nią.
Czytaj też: Wywrócili założenia na temat narodzin życia w kosmosie. Peptydy powstają zadziwiających okolicznościach
W tej układance szkło ma wyjątkowo niewdzięczną rolę. Dla architekta jest światłem i estetyką, ale dla inżyniera ochrony elektromagnetycznej istnym koszmarem, bo otworem w ekranie, który z definicji ma zatrzymywać wszelkie zagrożenia. Dlatego, gdy pojawia się obietnica okna, które nadal jest oknem, ale zaczyna zachowywać się jak element osłony, to w grę wchodzi coś rzeczywiście wielkiego, co może zmienić krytyczną oraz wojskową infrastrukturę.
Wszystko sprowadza się do czegoś prostego – walki z impulsem elektromagnetycznym (EMP), czyli bardzo krótkim, ale ekstremalnie intensywnym strzałem energii elektromagnetycznej, który może wzbudzać niepożądane napięcia i prądy w przewodach, obwodach i antenopodobnych fragmentach instalacji. Źródeł tego impulsu jest wiele – od efektów towarzyszących eksplozjom jądrowym nawet na wysokościach, po urządzenia dużej mocy i celowe zakłócanie. Skutek w praktyce bywa prozaiczny, bo dochodzi do awarii elektroniki, resetowania się systemów, uszkodzenia interfejsów, utraty łączności i po prostu kaskadowych problemów w systemach zależnych od sieci i automatyki.
W świecie cywilnym to nadal brzmi jak niszowa paranoja, dopóki nie uświadomi się jednej rzeczy: nawet łagodniejsze zdarzenia z rodziny zaburzeń elektromagnetycznych potrafią uderzać w bardzo wrażliwe miejsca infrastruktury – centra danych, węzły łączności, aparaturę medyczną czy lotniska. W świecie wojskowym wątek jest oczywisty, bo odporność na zakłócenia i przeżywalność systemów C4ISR to fundament.
Dlaczego szyby są tak trudne do ochrony?
Ekranowanie elektromagnetyczne jest w pewnym sensie bezlitosne: działa tak dobrze, jak jego najsłabszy fragment. Można zbudować świetnie ekranowany obiekt, a później oddać część tej odporności na detalach, bo m.in. na przepustach kablowych, drzwiach, łączeniach, a szczególnie na dużych, przezroczystych powierzchniach. Klasyczne rozwiązania ekranowania są często nieprzezroczyste albo mocno kompromisowe optycznie, a okna w obiektach infrastruktury krytycznej nie znikną tylko dlatego, że pojawił się nowy typ zagrożenia.
Dlatego od lat testuje się różne warianty: przewodzące tlenki jako przezroczyste elektrody, metalowe siatki, a nawet hybrydy z warstwami cieczy (np. roztworów soli) – z ambicją połączenia ekranowania i normalnego wyglądu. Problem w tym, że pełne spektrum ochrony (szerokopasmowo) i wysoka przezroczystość rzadko idą w parze, a w praktyce liczą się jeszcze trwałość, koszt produkcji, montaż i szczelność elektromagnetyczna w ramie okiennej.
Koreańsko-amerykański pomysł to metalowa siatka o nietypowej geometrii
Tutaj do gry wchodzi zespół z Seoul National University of Science and Technology, który we współpracy z amerykańskimi specjalistami, opublikował w Engineering Science and Technology, an International Journal pracę, która celuje dokładnie w tę lukę. Obejmuje bowiem okno z wbudowaną metalową siatką, mające zapewniać ekranowanie EMP przy zachowaniu funkcji okna. Co ciekawe, klucz tkwi nie w materiale, a w geometrii. Badacze porównali kilka układów – od klasycznej kratki kwadratowej, przez warianty heksagonalne, po bardziej fantazyjne struktury, a finalnie postawili na asymetryczny heksagon, bo to on dawał najlepszy bilans: zauważalnie lepszą skuteczność ekranowania przy relatywnie niewielkiej utracie przejrzystości w porównaniu z popularnymi wzorami.
Czytaj też: Kiedy fizyka spotyka patelnie. Takiej rewolucji byle naczynia w kuchni nikt się nie spodziewał
W samych liczbach brzmi to bardziej konkretnie niż większość nagłówków. Autorzy raportują pracę w paśmie 0,18-18 GHz, czyli w przybliżeniu 180 MHz-18000 MHz, a więc od okolic VHF/UHF po mikrofale. W ich opisie asymetryczna siatka potrafiła poprawić ekranowanie nawet o 4,7 dB przy 10 GHz względem klasycznych wzorów, przy spadku przezroczystości rzędu 3% dla samej warstwy siatki. Ta warstwa miała transmisję optyczną 75,5% i bardzo niską rezystancję powierzchniową 0,1 Ω/□, co jest istotne, bo przewodnictwo w praktyce robi ekranowanie.
60 dB i 80 dB – co to znaczy?
Deklarowane progi 60 dB dla zastosowań cywilnych i 80 dB dla wojskowych brzmią abstrakcyjnie, dopóki nie przeliczy się skali logarytmicznej. Dla natężenia pola 60 dB oznacza tłumienie amplitudy około 1000 razy, a 80 dB około 10000 razy. Jeśli patrzeć na moc, to te same wartości odpowiadają odpowiednio redukcji rzędu 1 000 000 razy i 100 000 000 razy. Innymi słowy, to nie jest trochę mniej zakłóceń, tylko poziom, przy którym fala po drugiej stronie powinna wyglądać jak cień oryginału.
W oknach problem polega na tym, że ten wynik trzeba osiągnąć nie jako ciekawostkę materiałową, ale jako właściwość gotowego produktu. Tutaj pojawia się drugi, mniej wygodny parametr: przezroczystość całej konfiguracji okiennej. Według abstraktu pracy, wariant cywilny w układzie podwójnej szyby z dwiema warstwami siatki przekracza średnio 60 dB i utrzymuje transmisję optyczną powyżej 40%. Z kolei konstrukcje wojskowe z trzema warstwami potrafią dojść nawet do 90 dB, ale kosztem transmisji powyżej 30%. To poziomy, które w typowym budynku biurowym wyglądałyby jak bardzo mocne przyciemnienie, natomiast w obiektach krytycznych mogą być akceptowalnym kompromisem.
Największe ryzyko: laboratorium kontra budowa
Najważniejsza wątpliwość nie dotyczy samej idei siatki, tylko tego, czy da się ją przełożyć na „system” okienny, który w realnym obiekcie nie rozszczelni się elektromagnetycznie na styku szyby z ramą, uszczelką i mocowaniem. Ekranowanie to bowiem gra w detale, jako że szczeliny i łączenia potrafią zepsuć finalny wynik. Nieprzypadkowo wojskowe standardy weryfikacji ochrony obiektów (przykładowo w rodzinie MIL-STD-188-125) opisują pomiary jako procedury terenowe, z konkretnymi dystansami i geometrią testu.
Czytaj też: Silnik ramjet bez tajemnic. Naukowcy zajrzeli tam, gdzie nikt dotąd nie spojrzał
Jest jeszcze jedno pytanie, które w kontekście takich okien powinno paść automatycznie: co z łącznością radiową w środku? Jeśli szyba zaczyna skutecznie tłumić szerokie pasmo fal, to nie wybiera, czy chodzi o impuls o destrukcyjnym charakterze, czy o sygnał sieci komórkowej, Wi-Fi albo łączność służbową. W wielu obiektach krytycznych i tak projektuje się łączność wewnętrzną niezależnie od przypadkowego przenikania przez okna, ale w zastosowaniach cywilnych może to być bariera wdrożenia.
Nadszedł czas na “nieprzepuszczalne okna”?
Z perspektywy wdrożenia wciąż brakuje kilku odpowiedzi, których nie da się dopisać bez danych: jak zachowa się taka warstwa po latach ekspozycji na promienie UV, wilgoć i środki czyszczące, jak wygląda powtarzalność produkcyjna na dużych taflach, jak rozwiązać połączenie elektryczne siatki z ramą okna i uziemieniem, a wreszcie ile to kosztuje w przeliczeniu na metr kwadratowy. Na tym etapie najuczciwiej traktować to osiągnięcie nie jak rewolucję, ale jako obiecujący kierunek, bo próbę zamknięcia jednej z najbardziej problematycznych dziur w ekranowaniu budynków bez uciekania w nieprzezroczyste osłony.